湖工数控车床改造(含开题报告)

毕业设计（论文）任务书 学 院 指导教师 职 称 学生姓名 专业班级 学 号 设计题目 经济型数控车床设计 设 计 内 容 目 标 和 要 求 （设计内容目标和要求、设计进度等） 设计内容： (1)普通车床的改造成经济型数控机床总体设计方案 , (2)经济型数控机床进给伺服系统机械部分计算及校核， (3)脉冲当量的选择， (4)切削刀的计算， (5)滚珠丝扣螺母的设计计算及造型， (6)进给伺服系统的传动计算， (7)步进电动机的造型。 设计要求： (1)绘制相关机构原理图， (2)两 张 纸 , (3)计说明书一份。 指导教师签名： 年 月 日 毕业设计（论文）学生开题报告 课题名称 320件最大回转直径）经济型数控车床改造设计 课题来源 课题类型 1 指导教师 学生姓名 学 号 专业班级 本课题的研究现状、研究及目的 一、 研究现状 从上世纪 80 年代起，机床 制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。经过“九五”数控车床和加工中心（包括数控铣床）的产业化生产基地的形成，所生产的中档普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品相比，仍存在较大差距，这是由于欧美日等先进工业国家于 80年代先后完成了数控机床产业进程，其中一些著名机床公司致力于科技创新和新产品的研发，引导着数控机床技术发展 ， 相比之下，我国大部分数近代机床产品在技术处于跟踪阶段 二、 研究目的 我国是生产和使用机床最多的国家 之一，但现有机床大多数服役年龄较长，设备陈旧落后。由于数控机床具有自动化程度高加工精度高，质量稳定，便于生产管理现代化等特点，数控机床的应用越老越普及，也是制造业现代化的必然趋势，如果全部淘汰旧机床而采用新的数控机床不仅所需资金太大，而且会造成原有设备的限制和浪费 我国的再造技术起步较晚，迫切需要大力发展，即能充分利用原有的旧设备资源，减少浪费又能够以较小的代价获得性能先进的设备，满足现代化生产的要求 三、 研究的意义 由于运用普通机床加工出来的产品大多存在着质量差、品种少、档次低、成本大、供货期长等原因，所以 普通机床的数控化改造具有相当的意义 首先，提高了生产的效率。原普通机床经数控化改造后就可以实现加工自动化，工作效率可比普通机床提高近五倍；其次，性能更稳定安全可靠。因为经改造的数控机床的各基础件经过长期工作，几乎不会产生因力变形而影响精度；再次，可以为生产厂家节约资金。 普通机床的数控化改造和购买新的数控机床相比一班可以节省一半以上的费用，从大型的和特殊的设备上更能看出；最后，对于复杂的零件而言难度越高功效提高的越多。且可不用或少用工装，不但节约费用还可以缩短生产的准备时间 数控机床题目 （由指导老师 指定其中之一，要求本小组各人的题目及参数不同） 1. 320件最大回转直径）经济型数控车床设计 2. 500件最大回转直径）经济型数控车床设计 3. 630件最大回转直径）经济型数控车床设计 4. 800工作台工作面积 长 x 宽 济型数控铣床 5. 1250作台工作面积 长 x宽 济型数控铣床 6. 1600作台工作面积 长 x宽 济型数控铣床 2 本课题 的研究内容 1、总体方案设计 （ 1） 纵、 横方向 系统运动方式和伺服系统确定 （ 2） 纵、横方向 机械传动系统的确定 。 2、进给伺服系统机械部分设计 （ 1） 纵、 横方向 进给传动系统的轴向负载计算 （ 2） 纵、横方向 导轨的设计与选型，滚珠丝杠螺母副的选型与计算 （ 3） 纵、横方向 进给传动系统的刚度计算进给传动系统的误差分析 （ 4） 纵、横方向 驱动电动机的选型与计算 （ 5） 纵、横方向 能给传动系统的动态特性分析，驱动电动机与滚珠丝杠的连接 （ 6） 设计绘制进给伺服系统纵、横方向的机械装配图 本课题研究的进度安排 1、开题报告 2、进给传动负载计算 3、传动系统设计选型 4、传动系统计算 5、传动系统设计选型 6、系统计算 7、绘制进给装配图 8、设计说明书 9、答辩 本课题实施方案 1、根据各书本资料公式计算出该选用的各零部件，如步进电机、丝杠螺母等型号。 2、进给箱部分：全部折除，然后安装纵向的步进电动机 珠丝杠的另一端支承座安装在车尾座端原来装 轴承做的部位 。 开题报告 (2) 3、溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠的螺母座，丝杠螺母固定在其上。 4、横溜板部 分：将原来横溜板中的滚珠丝杠、螺母拆除，在该处安装横向进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电动机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连 。 5、刀架部分：拆除原刀架，在该处安装自动回转四方刀架总成 。 已查阅的主要参考文献 （ 1） 机床设计手册编写组 三册）【 M】 械工业出版社， 1986. （ 2） 范超毅、赵天婵、吴斌方主编 . 数控技术课程设计 【 M】 ： 华中科技大学出版社 2007. （ 3） 坂本正文 M】 学出版社， 2010. （ 4） 李福生 M】 京出版社， 1993. （ 5） 廉元国，张永洪 M】 械工业出版社， 1995. （ 6） 廖效果 M】 北可学技术出版社， 2000. （ 7） 吴振彪 M】 国人民大学出版社， 2000. （ 8） 郑堤，唐可洪 M】 械工业出版社， 2002. （ 9） 王爱玲 M】 防工业出版社， 2003. 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目 录 第一章 普通车床改造成经济型数控车床总体设计方案拟定 第一节 总体方案的设计内容 一 系统运动方式的确定 二 伺服系统的选择 三 执行机构传动方式的确定 四 计算机的选择 第二节 总体方案设计的应用举例 一 设计任务 二 总体方案确定 三 机械传动方式 第二章 经济型数控机床进给 伺服系统 机械部分设计 第一节 脉冲当量的选择 第二节 计算切削力 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型 第四节步进电机的计算及选型 第三章 微机控制系统的设计 第一节 设计内容 第二节 设计步骤 第三节主控制器的选择 第四节 存储器扩展电路设计 第五节 步进电机驱动电路设计 第四 章 结束语 参考文献 第一章 普通车床改造成经济型数控车床总体设计方案拟定 第一节 总体方案的设计内容 机床数控系统通体方案的拟定应包括以下内容：系统的运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的机构及传动方式的确定，计算 机系统的选择等内容。 一、系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点倒直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式，例如：数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制的要求是快速定位，保证定位精度。 如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系及连续控制系统，应具有控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。所以李旭控制系统又称轮廓控制系统。例如 ：数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中缺具有点位系统的功能。 二、伺服系统的选择 伺服系统科飞为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 开环控制系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号时单方向传送的，指令放出后，不在反馈回来，古称开环控制。开环伺服系统主要有步进电机驱动。开环伺服系统机构简单，成本低廉、容易掌握、调试和维修都比简简单方便。 闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件。用来检测实际位移量，能补偿系统的误 差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、架构和调试复杂、多用于精度要求高的场合。 半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接监测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，在间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开缓和闭环系统之间。 三、执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动时，通常提出低摩擦，低惯量、高刚度、无间隙、告谐振以及有诗意的阻尼比的要求。在设计过程中应考虑以下几点： （ 1） 尽量采用低摩擦的传动和导向元 件。如采用滚珠丝杠螺母传动副 （ 2） 尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮 （ 3） 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统的刚度。 四、计算机的选择 微机数控系统是由 储器扩展电路、 口电路伺服电机驱 动 电 路 、 检 测 电 路 等 几 部 分 组 成 。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。目前，一些高档的 普遍使用 32位微机，主机频率由 5高到 20的采用多 统，进一步提高控制速度。经济型 统则普遍采用 8位微机。 第二节 总体方案设计的应用举例 一、设计任务 将普通车床改造成用 列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率 设计参数如下： 最大加工直径 288大加工长度 630进速度 纵向 向 大切削进给速度 纵向 m/向 m/、总体方案确定 （ 1）系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺圆和逆圆插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。有雨经济型数控机床加工精度要求高，为了降低成本，故采用步进电机开环控制系统。 （ 2）计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机，由于 列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，性能价格比高等特点，决定采用 列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分，键盘及显示器， 口及光隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 三、 机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速而传动丝杠选用滚珠丝杠螺母副，同时，齿轮传动也要消除间隙的结构。 1、 绘制总体方案框图（图 1 图 1济型守护空车床总体 方案框图 根据设计任务的要求。决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。 第二章 经济型数控机床进给伺服系统驱动的开环控制系统 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量，计算空载起动反切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计，计算及选用，会直接写部分装配图及零件工作图等。 1、 普通车床微机数控化改造设计 将一台 普通车床改造成经济行为及数控车床，采用 进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，其主要设计参 数如下： 加工最大直径： 288大加工长度 630架快速速度： 纵向 向 大进给速度： 纵向 m/向 电机功率 一节 脉冲当量的选择 一个进给脉冲使机床运动部件的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。根据机床精度要求确定脉冲当量，最小： 冲，横向： 冲。 第二节 计算切削力 总车外圆： 主切削力（横向进给传动系统的计算） 主电机功率 大工件直径 D=288轴计算转速n=85r/ 刀 具 切 削 速 度 V= 0= （ 88*5 ）/60=s 取机床的机械效率 = *000/) 各切削分力： N） z=125（ N） 如图 纵切和横切时切削力的示意图 纵车外圆 横切外圆 二导轨摩擦力计算： v=N） ， 横向切削分力 x=1125(N), 横向移动部件的重力 W=450（ N）， m=46表 2 镶条紧固力 500（ N） ,贴塑导轨 = （ W+c+ =450+1500+125)=) 轨摩擦力 F o 和 F o=（ W+= 450+1500） =) o（ W+= 450+1500） =390(N) 1）最大轴向负载力 y+1125+) 2）最小轴向负载力 o=) 取步进电机步距角 =滚珠丝杠导程 冲当量p=冲 I= 360 p ) =(360*=5 查图 2 2速器采用 2级传动， 传动比 ,， 动齿轮的齿数 0， ,0， 0，0， 模数 m=2，齿宽 b=20 普通车床数控改造计算简图 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型 滚珠丝杠动载荷计算与直径估算： 数控车床的预期工作时间 500h ，滚珠丝杠的当量载荷)，查表 2，载荷系数 表 2步 滚珠丝杠的精度等级为 1 级，取精度系数为 ，查表 2靠性系数 ，滚珠丝杠的当量转速 n=转速为最大切削进给速度 的转速），已知 珠丝杠的基本导程 000o=1000*=60r/(603/1 Fm*(100fa*=(60*60*1500)3/1 *100*1*1)=) 按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 1）根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形，已知车床横向进给系统的定位精度为 20复定位精度为4 1/3） *4= 1/5)*20=4计算结果较小值，即 2)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 滚珠丝杠采用一端固定，一端游动的支承方式，滚珠丝 杠螺母副的 两个固定支承之间的距离为： L=行程 +安全行程 +2*余程 +螺母长度 +支承长度 =（ 程 + （ 25： L=3000+30*6=460 则： ） 2/1 = 390*320/2/1 =步确定滚珠丝杠螺母副 的规格型号： 7.9a=13004580(N) 2 选择型号： a=1300N ， 1）滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷 校验 已知 珠丝杠螺母副的最大受压长度13 丝杠垂直安装时取： ,查表 2 ， 则： 1K2*105 =1/3*2*3132 *105 =) 本车床横向进给系统滚 珠丝杠螺母副的最大轴向载荷 )远小于其临界压缩载荷 满足要求。 2）滚珠丝杠螺母副临界转速 校验 滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度 37弹性模量 E=0 5 密 度 =1/g*0 5 N/重 力 加 速 度g=03 mm/ 最小惯性矩： I= /64*4*最小截面积： A= /4*取 表 2 =： 1*60 2 /(2 *( A) 2/1 =0*(2*372)* (05 *03 /(05 * 2/1 =37185r/横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为60r/小于其临界转速，故满足要求。 滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 查表 滚珠丝杠的额定动载荷 300N，已知轴向载 珠丝杠转速 n=0r/转条件系数 则： L=( 3 *106 =(1300/( 3 *106 = 08 r (60n)=08 /(60*60)=43611h 本机床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命3611h1500h，故满足要求。 1）计算滚珠丝杠的拉 压刚度 杠支承方式为一端固定，一端游动。已知弹性模量E=05 珠丝杠底径 滚珠丝杠螺母副中心至固定端支承中心的距离 a=13，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度 则： (4103 =02 *313= a=13，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度 则： (41002 *113=算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 知滚动体直径 动体的个数 Z=15，轴承的最大轴向工作载荷 ),则由表 2 2 * (=2* (52 *算滚珠与滚道的接触刚度 表 滚珠与滚道的接触刚度 K=569N/定动载荷 3000N，已知滚珠丝杠上承受的最大轴向载荷 ： K（ 3/1 =569*(3000) 3/1 =算进给传动系统的综合拉压刚度 K 由式（ 2综合拉压刚度的 最大值为： 1/+1/（ 2综合拉压刚度的最小值为： 1/+1/，已知滚珠丝杠的剪切模量 G=04 ： (32=03 )4 *04 *106 /(32*387*103 ) =驱动电动机的选型与计算： 1）计算滚珠丝杠密度 =03 kg/ 则： 03 j =03 *(4 *=计算折算到丝杠轴上的移动不见的转动惯量 l=m（ L/2） 2 =46*(2* 2 =3)计算各齿轮的转动惯量 03 *44 *2=03 *84 *2=03 *104 *2=15.6 4)由式（ 2算加载电动机轴上总负载转动惯量 (*（ + 1/(*（ r+=（ +1/25(kg=kg 1)计算折算到电机轴上的负载力矩 已 知 切 削 状 态 轴 向 负 载 力=6i=5, 进给传动系统的总效率 = 则 : a*L/(2 * *i)=2 5) =m 2)计算折算到电机轴上的摩擦负载力矩 已知： =390N, 则 : *L/2 i =390 2 5) =m 3)计算滚珠丝杠预紧力 生的并折算到电机轴上的附加负载力矩 知滚珠丝杠螺母副的效率 0=珠丝杠螺母副的预紧力 式（ 2： p*(2 * *i)*(1- = 2*)*( =m 4)折算到电机轴上的负载力矩 T 的计算 空载时， 由式 (2： +m 切削时， 由式（ 2： c+m 计算折算到电机轴上的加速力矩 据以上结果和表 选 130反应时步进电动机，其转动 惯量 ; 而进给传动系统的负载惯 量对开 环系统，加速时间 当机床执行部件以最快速度 V=1200mm/动时电机的最高转速为： 200*5/6=1000r/式（ 2： *i*60*980(d) =2*300/(60*980*(=算横向进给系统所需的折算到电机轴上的各种力矩 按式（ 2算空载启动力矩 q= f） = =式（ 2算快进力矩 u+ =式（ 2算工进力矩 c+ =择驱动电动机的型号 1)选择驱动电动机的型号 根据以上计算和表 130反应时步进电动机，其主要 技术参数如下：相数 5，步矩角 ,转动惯量 最高空载频率 3000配方式：五相十拍， 质量 行频率 :16000 2）确定最大静转矩 q/ m m 取 m，本电机最大静力矩为 于m， 可以再规定的时间内正常启动，故满足要求。 验算惯量匹配 为使机械转动惯量达到较合理的匹配， m 1 因为 m =足惯量匹配要求。 机械传动系统的动态分析 工作台纵向工作系统的最低固有频率 滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 79*106 N/M， 机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为 M，珠 丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为 +1/3知 M=46则： /4*03 =d=M+1/36+1/3*d) 2/1 =(179*106 /2/1 =1951s 算到滚珠丝杠轴上的系统当量转动惯量为： i=(*5= 已知滚珠丝杠的扭转刚度 =m/ 则： s） 2/1 =（ 2/1 =1117s 由以上计算可知， 丝杠 工作台纵向工作系统的最低固有频率 524s 扭转振动系统的最低固有频率 117s 都比较高。一般按 00s 的要求来设计机械传动系统的刚 度，故满足要求。 第四节步进电机的计算及选型 机械传动系统的误差计算与分析 已知 77*106 N/m， 90N， 由式（ 2： =2 u = 30K = 36 1010117 3902 = 即 = 8 m，故满足要求。 （ 2）计算机械传动系统有综合拉压刚度变化引起的定位误差 由式（ 2： 1 )=390*（ 1/177*106 45*106 ） *103 =03 : m,故满足要求 （ 3）计算滚珠丝杠扭转变形产生的误差 计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。 已知负载力矩 T=矩作用点之间的距离 387mm， =02 *87/ = 由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作的定位精度，则 = /360=6*60= 确定滚珠丝杠螺母副的精 度等级和规格型号。 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级，传统采用开环控制系统 ,所以，V 位系统 - k ） = = 位系统 - k ） = （ =以，滚珠丝杠螺母副精度等级为 1 级，查表 2： V 6螺纹长度为 400表 276满足设计要求。 确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 滚珠丝杠螺母副的规格型号为 95*394 具体参数：公称直径 32程 6纹长度 400杠长度 585型 P 类，精度等级 1 级。 第三章 微机控制系统的设计 第一节 设计内容 定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图。 ，检测电路，转换电路以及驱动电路等。 图中要标明各器件的型号，管脚号及参数。 第二节 设计步骤 数控系统的硬件电路由以下几部分组成； A 主控制器，即中央处理单元 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线 C 存储器。包括只读可编程程序存储器和随机读写数据存储器。 I/ 第三节 主控制器 选择 I/O 端口及部分 为一体的功能性强的控制器，只需增加 少量外用元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用 8031 主控系统。 第四节 存储器扩展电路设计 1. 存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用印 片。型号有； 2761，其容量分别为 2k，在选择芯片时要考虑 印 外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择 2764 芯片作为本次设计的程 序存储器扩展用芯片。 单片机规定 口 8 位地址线，因此又作为数据线使用，所以为外接存储器提高 8 位的地址信息，一般采用 74片作为地址锁存器，并由 地址信息锁存入地址锁存器。 由于 8031 内部 有 16128 字节，这不能满足系统要求。要求扩展片外的数据存储器，单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116,6262 静态 据存储器，采用设计 6264 芯片作为数据存储器扩展用芯片。 在单片机应用系统 中，所用外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制，由于外围芯片与数据存储器采用统一编程，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用选法和全地址译码法，线选法是把单独的地址线接到外用芯片的片选端上，只需该地址线为低电平，就选中该芯片，线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于 I/O 容量较大的应用系统，当芯片所需要的片选信号多于可利用的地址线的时候， 多采用全地址译码法，它将地位地址作为片内地址，而且译码器对高位地址进行译码，译码器输入的地址选择用作选线。 9031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器 264组成 8031 单片机的外存储器扩展电路。 5. I/O 扩展电路设计。 （ a）通用可编程接口芯片 8155 8031 单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 接口，但供用户使用的只有 3 口线，因此要进行 I/O 口的拓展。 815 与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。 （ b）键盘，显示器接口电路 键盘，显示器是数控系统常用的人机交换的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用 I/结构，按键设置在行列的交点上。 第五节 步进电机驱动电路设计 （ 1）脉冲分配器 步进电机的控